DE102015223675B4 - Time-of-flight sensor for an optical range finder - Google Patents
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Abstract
Lichtlaufzeitsensor (22) für einen optischen Entfernungsmesser (1),mit einem Lichtlaufzeitpixel (23) zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals (Sp2),wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche (23.n) mit wenigstens einem Auslesefinger (Dan, Dbn) für einen A- und B-Kanal aufweist,und ein jeweiliger Auslesefinger (Dan, Dbn) wenigstens jeweils einen als Diodenknoten ausgebildeten Integrationsknoten (Da, Db) aufweist,wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) einen Integrator (410) zur Integration der an den Diodenknoten (Da, Db) erfassten Ladungen aufweist,und die Auslesefinger (Dan, Dbn) eines Kanals (A, B) einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter (SA1..n, SB1..n) verbunden sind,wobei die Umschalter (SA1..n) für Auslesefinger (Dan) des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters (SA1..n) mit einem A- Kanal Eingang des Integrator (410) und die Umschalter (SB1..n) für Auslesefinger (Dbn) des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters (SB1..n) mit einem B- Kanal Eingang des Integrator (410) und dass die Umschalter (SA1..n, SB1..n) an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten (450) verbunden sind,wobei der Lichtlaufzeitsensor (22) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter (SA1..n, SB1..n) die Auslesefinger (Dan, Dbn) entweder mit einem Eingang des Integrators (410) oder mit einem Eingang des Verwerfknoten (450) verbinden, wobei an einem weiteren Eingang des Verwerfknotens (450) eine Referenzspannung (Vref) anliegt, die der an den weiteren A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators (410) anliegenden Spannung entspricht,wobei die Empfangsbereiche (23.n), deren Auslesefinger (Dan, Dbn) mit dem Integrator (410) verbunden sind, aktive Empfangsbereiche (23.n) bilden,und die Auslesefinger (Dan, Dbn) derart mit dem Integrator (410) verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche (23.n), eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots (50) berücksichtigt.Time-of-flight sensor (22) for an optical range finder (1), with a time-of-flight pixel (23) for demodulating a received modulated light signal (Sp2), the light-time-of-flight pixel (23) having a plurality of reception areas (23.n) arranged in a matrix with at least one readout finger (Dan , Dbn) for an A and B channel, and a respective readout finger (Dan, Dbn) has at least one integration node (Da, Db) designed as a diode node, the light transit time pixel (23) having an integrator (410) for integrating the has charges detected at the diode nodes (Da, Db), and the readout fingers (Dan, Dbn) of a channel (A, B) are connected individually or in groups to an input of a switch (SA1..n, SB1..n), the switches (SA1..n) for the readout fingers (Dan) of the A channel at a first output of the switch (SA1..n) with an A channel input of the integrator (410) and the switches (SB1..n) for readout fingers (Dbn) of the B-channel at a first output of the switch (SB1..n) with a B-channel input of the integrator (410) and that the switches (SA1..n, SB1..n) at a second output are connected to an input of a discard node (450), the time-of-flight sensor (22) being designed in such a way that, during operation, the changeover switches (SA1..n, SB1..n) connect the readout fingers (Dan, Dbn) either to an input of the integrator (410) or to an input of the discarding node (450), a further input of the discarding node (450) having a reference voltage (Vref) which is that at the further A and B channel inputs of the integrator (410) corresponds to the applied voltage, the receiving areas (23.n) whose readout fingers (Dan, Dbn) are connected to the integrator (410) forming active receive areas (23.n), and the readout fingers (Dan, Dbn) connected in this way to the integrator (410) that the geometry of the combined active receiving areas (23.n) takes into account a distance-dependent change in location and size of the light spot (50).
Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser und einen Entfernungsmesser nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a time-of-flight sensor for an optical range finder and a range finder according to the species of the independent claims.
Als optische Entfernungsmesser eignen sich insbesondere Lichtlaufzeitmesssysteme, die nicht nur Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Messsysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitsensoren bzw. Empfangselemente sind insbesondere PMD-Sensoren mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
Ferner ist aus der
Aus der
Aus der
Die
Die
Die
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Entfernungsmesser im Hinblick auf Fehlergenauigkeit und/oder einfachere Justierung des optischen Systems zu verbessern.The object of the invention is to improve an optical range finder with regard to error accuracy and/or simpler adjustment of the optical system.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Entfernungsmesser gelöst.The object is solved in an advantageous manner by the distance meter according to the invention.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitpixel zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals, wobei das Lichtlaufzeitpixel mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche mit wenigstens einem Auslesefinger für einen A- und B-Kanal aufweist, und ein Auslesefinger jeweils wenigstens einen Diodenknoten aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel einen Integrator zur Integration der an den Diodenknoten erfassten Ladungen aufweist, und die Auslesefinger eines Kanals einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter verbunden sind, wobei die Umschalter für Auslesefinger des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem A- Kanal Eingang des Integrator
und die Umschalter für Auslesefinger des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem B- Kanal Eingang des Integrator
und dass die Umschalter an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten verbunden sind, wobei der Lichtlaufzeitsensor derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter die Auslesefinger entweder mit einem Eingang des Integrators oder mit einem Eingang des Verwerfknoten verbinden, wobei die Empfangsbereiche, deren Auslesefinger mit dem Integrator verbunden sind, aktive Empfangsbereiche bilden, und die Auslesefinger derart mit dem Integrator verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche, eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots berücksichtigt.A time-of-flight sensor for an optical range finder is advantageously provided, with a time-of-flight pixel for demodulating a received modulated light signal, the light-time-of-flight pixel having a plurality of reception areas arranged in a matrix with at least one readout finger for an A and B channel, and each readout finger having at least one diode node , wherein the time-of-flight pixel has an integrator for integrating the charges detected at the diode nodes, and the readout fingers of a channel are connected individually or in groups to an input of a switch, the switches for readout fingers of the A channel being connected to a first output of the switch with a A- channel input of the integrator
and the switches for readout fingers of the B-channel at a first output of the switch to a B-channel input of the integrator
and that the changeover switches are connected at a second output to an input of a discard node, the time-of-flight sensor being designed in such a way that during operation the changeover switches connect the readout fingers either to an input of the integrator or to an input of the discard node, the reception areas whose readout fingers are connected to the integrator, form active reception areas, and the readout fingers are connected to the integrator in such a way that the geometry of the combined active reception areas takes into account a distance-dependent change in location and size of the light spot.
Durch dieses Vorgehen ist es vorteilhaft möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels durch Ausblenden nicht benötigter Bereiche den jeweiligen Messerfordernissen optimal anzupassen. Durch das Umschalten der nicht vom Nutzlicht beleuchteten Bereiche von dem Integrator auf den Verwerfknoten werden störende Signalbeiträge von der Integration ferngehalten. Hierdurch werden insbesondere das Signal-Rauschverhältnis und die Genauigkeit des Entfernungsmessers verbessert. Insbesondere kann so zum Beispiel das Schrotrauschen verringert werden.This procedure advantageously makes it possible to optimally adapt the geometry of the time-of-flight pixel to the respective measurement requirements by hiding areas that are not required. By the Switching over the areas not illuminated by the useful light from the integrator to the discard node, interfering signal contributions are kept away from the integration. In particular, this improves the signal-to-noise ratio and the accuracy of the range finder. In particular, the shot noise can be reduced in this way, for example.
Vorteilhaft ist es ferner vorgesehen, die Geometrie der mit dem Integrator verbundenen und zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche trichterförmig ausgebildet ist.It is also advantageously provided that the geometry of the active reception areas connected to the integrator and combined is funnel-shaped.
Durch diese Ausbildung lässt sich der Empfangsbereich vorteilhaft an die abstandsabhängige Größen- und Ortsänderung des Lichtspots anpassen.With this design, the receiving area can advantageously be adapted to the distance-dependent change in size and location of the light spot.
Ferner ist es von Vorteil, die Umschaltung der Empfangsbereiche bzw. der Auslesefinger auf den Integrator oder Verwerfknoten in Abhängigkeit eines ermittelten Entfernungswerts und/oder der Stärke des Empfangssignals durchzuführen.Furthermore, it is advantageous to switch over the reception areas or the readout fingers to the integrator or reject node as a function of a determined distance value and/or the strength of the received signal.
Durch dieses Vorgehen können die Empfangsbereiche dynamisch auf die jeweilige Messsituation und die sich ggf. abhängig vom Objektabstand ändernde Lichtspotgröße, - position und/oder Signalstärke angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine Reflektion an einem Tripelspiegel die Signalstärke so hoch werden, dass der Sensor in Sättigung gerät und nicht mehr ausgewertet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Empfangsbereiche kann ein Teil der fotoempfindlichen Fläche ausgeblendet und somit der Dynamikumfang des Sensors erhöht werden.This procedure allows the reception areas to be dynamically adapted to the respective measurement situation and the light spot size, position and/or signal strength that may change depending on the object distance. For example, a reflection from a triple mirror can cause the signal strength to become so high that the sensor becomes saturated and can no longer be evaluated. Due to the adaptation of the reception areas according to the invention, part of the photosensitive surface can be masked out and the dynamic range of the sensor can thus be increased.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Empfangselement bzw. der Lichtlaufzeitsensor so angeordnet ist, dass sich bei einer Abstandsänderung des Objekts der Lichtspot in Richtung einer Längsachse eines Empfangsbereichs bewegt.In a further embodiment, it is provided that the receiving element or the time-of-flight sensor is arranged in such a way that when the distance of the object changes, the light spot moves in the direction of a longitudinal axis of a receiving area.
Durch diese Anordnung ist es insbesondere bei so genannten zweiäugigen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger voneinander beabstandet angeordnet sind, möglich, die geometrische Lageveränderung des Lichtspots, aufgrund eines so genannten Triangulationseffekts, zu berücksichtigen.This arrangement makes it possible, particularly in the case of so-called two-eyed systems, i.e. systems in which the transmitter and receiver are arranged at a distance from one another, to take into account the geometric change in position of the light spot due to a so-called triangulation effect.
Besonders vorteilhaft ist den Verwerfknoten so auszugestalten, dass die Impedanz und/oder Eingangsspannung des Verwerfknotens der Impedanz und/oder Eingangsspannung des Integrators entspricht. Durch dieses Vorgehen ist sichergestellt, dass durch ein Umschalten zwischen dem Integrator und Verwerfknoten keine Potentialverschiebungen auf dem Pixel auftreten.It is particularly advantageous to configure the reject node in such a way that the impedance and/or input voltage of the reject node corresponds to the impedance and/or input voltage of the integrator. This procedure ensures that no potential shifts occur on the pixel as a result of switching between the integrator and discard nodes.
Besonders vorteilhaft ist es einen optischen Entfernungsmesser mit einem vorgenannten Lichtlaufzeitsensor auszustatten.It is particularly advantageous to equip an optical range finder with an aforementioned time-of-flight sensor.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 schematisch das grundlegende Prinzip eines optischen Entfernungsmessers, -
2 schematisch ein PMD-Lichtlaufzeitpixel, -
3 ein singuläres Lichtlaufzeitpixel mit einem einzigen Empfangsbereich, -
4 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel mit mehreren Empfangsbereichen, -
5 ein Pixel mit ausgeblendeten Empfangsbereichen, -
6 ein Pixel gemäß5 mit einem verschobenen Nutzlicht-Empfangsbereich, -
7 einen Querschnitt eines PMD-Lichtlaufzeitpixels mit Diodenknoten, -
8 eine Aufsicht auf ein Lichtlaufzeitpixel gemäß7 , -
9 ein Lichtlaufzeitpixel mit durchlaufender Struktur, -
10 eine erfindungsgemäße Ausleseschaltung, -
11 ein Timing-Diagramm für eine erfindungsgemäße Schaltung, -
12 ein erfindungsgemäßes Pixel mit Umschaltern, -
13 ein optischer Entfernungsmesser mit seitlicher Beleuchtungsquelle, -
14 ein Pixel gemäß5 mit einem ortsveränderlichen Lichtspot, -
15 ein optischer Entfernungsmesser mit zentraler Beleuchtungsquelle, -
16 einen Lichtlaufzeitsensor mit einer trichterförmigen Empfangsbereichs-Matrix, -
17 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß16 mit einem ausgeblendeten Fernbereich, -
18 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß16 mit einem ausgeblendeten Nahbereich.
-
1 schematically the basic principle of an optical range finder, -
2 schematically a PMD time-of-flight pixel, -
3 a singular time-of-flight pixel with a single receiving area, -
4 a time-of-flight pixel according to the invention with a plurality of reception areas, -
5 a pixel with hidden reception areas, -
6 one pixel according to5 with a shifted useful light reception area, -
7 a cross-section of a PMD time-of-flight pixel with diode nodes, -
8th a top view of a time-of-flight pixel according to FIG7 , -
9 a time-of-flight pixel with a continuous structure, -
10 a readout circuit according to the invention, -
11 a timing diagram for a circuit according to the invention, -
12 a pixel according to the invention with switches, -
13 an optical range finder with a side illumination source, -
14 one pixel according to5 with a portable light spot, -
15 an optical range finder with a central illumination source, -
16 a time-of-flight sensor with a funnel-shaped receiving area matrix, -
17 according to a time-of-flight sensor16 with a blanked far area, -
18 according to a time-of-flight sensor16 with a blanked out close range.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, designate equal che reference symbols same or comparable components.
Der optische Entfernungsmesser 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. Sender 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer Sendeoptik 15 sowie einen Empfänger 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Empfangselement 22. Das Empfangselement 22 ist vorzugsweise als PMD-Sensor ausgebildet.The
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und das Empfangselement 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf das Empfangselement 22. Im Empfangselement 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt bzw. demoduliert, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The measuring principle of this arrangement is based on the fact that the propagation time and thus the distance covered by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
In der Ausgestaltung der Modulationsgates kann ggf. auch auf das mittlere Modulationsgate G0 verzichtet werden. Alternativ kann ferner ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der
In
Wie in der
Kerngedanke der Erfindung ist nun, das Lichtlaufzeitpixel 23 an die Spezifika der jeweiligen optischen Systemauslegung anzupassen. Die optische Systemauslegung ist von verschiedenen Parametern abhängig, insbesondere der Baugröße des Sensors selbst, wie beispielsweise Sender-Empfänger-Abstand oder Brennweite, dem Aufbau des Optiksystems, beispielsweise einäugig oder zweiäugig, der Senderart, beispielsweise LED, Laser, und weiteren Parametern.The core idea of the invention is now to adapt the light
Um verschiedene Geräteklassen bzw. unterschiedliche Systemauslegungen mit demselben Lichtlaufzeitsensor 22 zu ermöglichen, muss die Größe des Lichtlaufzeitpixels 23 möglichst groß gewählt werden. Ein derart großes Lichtlaufzeitpixel 23 hat j edoch den Nachteil, dass bei vielen optischen Auslegungen unnötig viel Fremdlicht gesammelt wird. Dieser Nachteil kann beispielsweise mittels einer gerätespezifischen mechanischen Blende behoben werden. Das Aufbringen einer solchen mechanischen Blende ist jedoch mit erheblichem Justageaufwand verbunden.To different device classes or different system designs with the same To allow time-of-
Eine erfindungsgemäße elektronische, „frei konfigurierbare Blende“ ermöglicht hingegen eine Anpassung der Empfangsfläche an die jeweilige optische Auslegung ohne zusätzlichen Justageaufwand.An electronic, “freely configurable diaphragm” according to the invention, on the other hand, enables the receiving surface to be adapted to the respective optical design without additional adjustment effort.
Mit der erfindungsgemäßen „elektronischen Blende“ ist es ferner auch möglich, die auszuwertende bzw. aktive Empfangsfläche des Lichtlaufzeitpixels im laufenden Betrieb in Abhängigkeit der Messsituation, der Entfernungsmesswerte und/oder Nutzsignalstärke optimal anzupassen. Insbesondere ist es bei sehr hellen Objekten, beispielsweise bei Spiegelungen, sinnvoll die aktive Empfangsfläche zu reduzieren, um insbesondere eine Sättigung der Signal-Vorverstärkerstufe zu vermeiden. Auch dieses Ziel kann mittels der erfindungsgemäßen „frei konfigurierbaren Blende“ erreicht werden.With the "electronic shutter" according to the invention, it is also possible to optimally adapt the active reception area of the light transit time pixel to be evaluated during operation, depending on the measurement situation, the measured distance values and/or the useful signal strength. In the case of very bright objects, for example reflections, it makes sense to reduce the active receiving area in particular in order to avoid saturation of the signal preamplifier stage. This goal can also be achieved by means of the “freely configurable aperture” according to the invention.
Erfindungsgemäß ist es nun, wie in
Es sei bemerkt, dass sich aktive und ausgeblendete Empfangsbereiche 23.n nur dahingegen unterscheiden, ob die in diesen Bereich erfassten Signale ausgewertet werden oder nicht. Ansonsten werden sowohl die aktiven als auch ausgeblendeten Empfangsbereiche mit einem Modulationssignal beaufschlagt, wobei die Ladungen in den aktiven Bereichen an einen Integrator und die Ladungen in den ausgeblendeten Empfangsbereichen an einen Verwerfknoten weiter geleitet werden.It should be noted that active and blanked-out reception areas 23.n differ only in terms of whether the signals detected in this area are evaluated or not. Otherwise, both the active and the blanked-out receiving areas are supplied with a modulation signal, with the charges in the active areas being passed on to an integrator and the charges in the blanked-out receiving areas being passed on to a reject node.
Trifft der Lichtspot 50, wie in
In
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Struktur gemäß
Die Erfassungsbereiche sind bevorzugt so ausgestaltet, dass die den Auslesefinger benachbarten Modulationsgates vorzugsweise auf dem gleichen Modulationspotenzial liegen.The detection areas are preferably designed in such a way that the modulation gates adjacent to the readout finger are preferably at the same modulation potential.
Im dargestellten Fall sind die oberen Auslesefinger Da1, Db1 für den A- und B-Kanal über den Schalter S1 mit einem A-Kanal und einem B-Kanal-Eingang des Integrators 410 verbunden. Bei den unteren Auslesefingern Dan, Dbn, sind sowohl der A- als auch der B-Kanal gemeinsam mit einem Eingang des Verwerfknotens 450 verbunden. Am Eingang des Verwerfknotens liegt eine Referenzspannung Vref an, die im Wesentlichen auch der an den A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators 410 anliegenden Spannung entspricht. So wird sichergestellt, dass zwischen den aktiven Empfangsbereichen und den ausgeblendeten Empfangsbereichen, die mit dem Verwerfknoten verbunden sind, keine signifikanten Potenzialunterschiede auftreten.In the illustrated case, the upper readout fingers Da1, Db1 for the A and B channels are connected to an A channel and a B channel input of the
In den Integrationspausen, also zwischen tint_1.1 und tint_0.2 bleiben die Umschalter S in ihrer Position. Sollte allerdings im Betrieb eine Änderung dieser Positionen hilfreich für die Genauigkeit folgender Messungen werden, so sollte diese Änderung in der Integrationspause stattfinden. Andernfalls können Messergebnisse durch Umschalten während der Integration fehlerhaft werden. Die Integrationspause beginnt nach erfolgter Abtastung des integrierten Signals und endet mit der Wegnahme des Resets als Beginn einer neuen Integration.In the integration pauses, ie between t int_1.1 and t int_0.2 , the switches S remain in their position. However, should a change in these positions be helpful for the accuracy of the following measurements during operation, this change should take place during the integration pause. Otherwise, measurement results may become incorrect due to switching during integration. The integration pause begins after the integrated signal has been sampled and ends with the removal of the reset as the beginning of a new integration.
In dieser Pause werden zudem die Integrationskapazität Cint über den Schalter RS kurzgeschlossen.In this pause, the integration capacitance Cint is also short-circuited via the switch RS.
Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitpixels 23 ist in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte Ausgestaltung beschränkt, so ist es denkbar, dass jeder Auslesefinger einen eigenen Umschalter S aufweist, so dass die Empfangsbereichen noch feiner unterteilt werden können, ebenso ist es denkbar, mehr als vier Auslesefinger zusammenzufassen.The device according to the invention is of course not limited to the embodiment shown, so it is conceivable that each readout finger has its own changeover switch S, so that the reception areas can be subdivided even more finely, it is also conceivable to combine more than four readout fingers.
Wie auch in den übrigen Figuren stellt
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Empfangsfläche im Hinblick einer zu erwartenden Triangulationsbewegung zu optimieren.
Um zu vermeiden, dass bei einer entfernungsabhängigen Bewegung des Lichtspots 50 die bevorzugten bzw. aktiven Empfangsbereiche verlassen werden, ist das Empfangselement 22 in Relation zu der Beleuchtung 10 so angeordnet, dass sich der Lichtspot 50 abhängig von der Objektentfernung nur entlang einer Längsachse der Empfangsbereiche 23.n bewegt. Bevorzugt ist die Ausdehnung der Empfangsbereiche 23.n so optimiert, dass der Lichtspot 50 im bevorzugten Messbereich einen ebenfalls bevorzugten Empfangsbereich 23.n nicht verlässt.To prevent
Der Lichtfleck 50 mit dem auswertbaren Nutzlicht befindet sich im Wesentlichen im mittleren Bereich des Pixels 23. Die Empfangsbereiche 23.1 - 23.n außerhalb des Lichtflecks 50, hier schraffiert dargestellt werden nicht vom Nutzlicht beleuchtet und sind ausgeblendet, d.h. mit dem Verwerfknoten 450 verbunden Die Empfangsbereiche 23.n, die zumindest teilweise den Lichtfleck 50 bzw. Nutzlicht erfassen, werden über die Umschalter mit dem Integrator 410 verbunden und bilden einen gemeinsamen aktiven Empfangsbereich.The
Die aktiven Empfangsbereiche werden auf eine gemeinsame Signalleitung aufgeschaltet und werden gemeinsam, d.h. als singuläre Empfangsfläche ausgewertet. Die zusammengeschalteten Empfangsbereiche entsprechen somit in ihrer elektrischen Wirkung einem Einzelpixel.The active reception areas are connected to a common signal line and are evaluated together, i.e. as a single reception area. The interconnected reception areas thus correspond to an individual pixel in terms of their electrical effect.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es somit möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels 23 durch Aktivieren und Ausblenden von Empfangsbereichen 23.n an eine applikationsabhängige Geometrie des Nutzlichts anzupassen.The procedure according to the invention thus makes it possible to adapt the geometry of the light
Eine Aufteilung der Pixelfläche in zwei Dimensionen ist insbesondere bei einäugigen optischen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger auf derselben optischen Achse liegen, sehr vorteilhaft. Hier verbleibt der Schwerpunkt der Spotabbildung in der gleichen Position auf dem Pixel unabhängig von dem Objektabstand. Der aktive Erfassungsbereich kann in diesem Fall vorzugsweise in beiden Dimensionen eingeschränkt werden. Auch bei der Verwendung einer Erfassungsmatrix kann es vorgesehen sein, die Größe der aktiven Empfangsbereiche 23.n in Abhängigkeit der erfassten Lichtintensität anzupassen.Dividing the pixel area into two dimensions is particularly advantageous for single-lens optical systems, i.e. for systems in which the transmitter and receiver are on the same optical axis. Here the centroid of the spot image stays in the same position on the pixel regardless of the object distance. In this case, the active detection area can preferably be restricted in both dimensions. When using a detection matrix, it can also be provided that the size of the active reception areas 23.n be adapted as a function of the detected light intensity.
Im Weiteren kann eine Anpassung der Größe des aktiven Entfernungsbereichs auch dynamisch in Abhängigkeit weiterer Messwerte erfolgen, um beispielsweise einer systembedingte Änderung der Spotabbildungsgröße in Abhängigkeit des Objektabstandes entgegen wirken zu können.Furthermore, the size of the active distance range can also be adjusted dynamically as a function of other measured values, in order to be able to counteract a system-related change in the spot image size as a function of the object distance, for example.
Bei Vorliegen einer Abstandsinformation ist es auch denkbar, wie in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lichtlaufzeitkamerasystemtime-of-flight camera system
- 1010
- Sender, Beleuchtungtransmitter, lighting
- 1212
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Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19704496A1 (en) | 1996-09-05 | 1998-03-12 | Rudolf Prof Dr Ing Schwarte | Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave |
US6587186B2 (en) | 2000-06-06 | 2003-07-01 | Canesta, Inc. | CMOS-compatible three-dimensional image sensing using reduced peak energy |
EP1332594A2 (en) | 2000-10-16 | 2003-08-06 | SCHWARTE, Rudolf | Method and device for the recording and processing of signal waves |
DE102004016626A1 (en) | 2004-04-05 | 2005-10-20 | Pmd Technologies Gmbh | Signal processing electronics |
DE102004037137A1 (en) | 2004-07-30 | 2006-03-23 | Pmd Technologies Gmbh | Object`s distance measurement method, involves providing electrical reference signal to time-of-flight unit, mixing electromagnetic radiation falling on unit with reference signal and detecting delay time between signal and radiation |
EP1777747A1 (en) | 2005-10-19 | 2007-04-25 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA | Device and method for the demodulation of modulated electromagnetic wave fields |
DE102005056774A1 (en) | 2005-11-28 | 2007-05-31 | Pmdtechnologies Gmbh | Time of flight-pixel, has monitoring circuit provided for monitoring charge amount in voltage at storage area and comprising devices for detecting charge amount in storage area and/or equivalent voltage or corresponding current |
DE102005062320A1 (en) | 2005-12-24 | 2007-06-28 | Leuze Electronic Gmbh & Co Kg | Optoelectronic device |
DE102006049905A1 (en) | 2006-10-23 | 2008-04-30 | Pepperl + Fuchs Gmbh | Opto-electronic sensor and method for its operation |
DE102009029364A1 (en) | 2009-09-11 | 2011-03-24 | Robert Bosch Gmbh | Measuring device for measuring a distance between the measuring device and a target object by means of optical measuring radiation |
DE102012223298A1 (en) | 2012-12-14 | 2014-06-18 | Pmdtechnologies Gmbh | Light running time sensor e.g. photo mixture detector camera system, has light running time pixel and reference light running time pixel for reception of modulated reference light, where reference pixel exhibits nonlinear curve |
-
2015
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Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19704496A1 (en) | 1996-09-05 | 1998-03-12 | Rudolf Prof Dr Ing Schwarte | Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave |
US6587186B2 (en) | 2000-06-06 | 2003-07-01 | Canesta, Inc. | CMOS-compatible three-dimensional image sensing using reduced peak energy |
EP1332594A2 (en) | 2000-10-16 | 2003-08-06 | SCHWARTE, Rudolf | Method and device for the recording and processing of signal waves |
DE102004016626A1 (en) | 2004-04-05 | 2005-10-20 | Pmd Technologies Gmbh | Signal processing electronics |
DE102004037137A1 (en) | 2004-07-30 | 2006-03-23 | Pmd Technologies Gmbh | Object`s distance measurement method, involves providing electrical reference signal to time-of-flight unit, mixing electromagnetic radiation falling on unit with reference signal and detecting delay time between signal and radiation |
EP1777747A1 (en) | 2005-10-19 | 2007-04-25 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA | Device and method for the demodulation of modulated electromagnetic wave fields |
DE102005056774A1 (en) | 2005-11-28 | 2007-05-31 | Pmdtechnologies Gmbh | Time of flight-pixel, has monitoring circuit provided for monitoring charge amount in voltage at storage area and comprising devices for detecting charge amount in storage area and/or equivalent voltage or corresponding current |
DE102005062320A1 (en) | 2005-12-24 | 2007-06-28 | Leuze Electronic Gmbh & Co Kg | Optoelectronic device |
DE102006049905A1 (en) | 2006-10-23 | 2008-04-30 | Pepperl + Fuchs Gmbh | Opto-electronic sensor and method for its operation |
DE102009029364A1 (en) | 2009-09-11 | 2011-03-24 | Robert Bosch Gmbh | Measuring device for measuring a distance between the measuring device and a target object by means of optical measuring radiation |
DE102012223298A1 (en) | 2012-12-14 | 2014-06-18 | Pmdtechnologies Gmbh | Light running time sensor e.g. photo mixture detector camera system, has light running time pixel and reference light running time pixel for reception of modulated reference light, where reference pixel exhibits nonlinear curve |
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